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基于吸收型量子存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)量子中繼的原理示意圖。王國(guó)燕、馬燕兵制圖

本報(bào)訊?中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組首次實(shí)現(xiàn)多模式復(fù)用的量子中繼基本鏈路，展現(xiàn)了多模式復(fù)用的量子通信加速效果，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)器的量子糾纏，為高速率、大尺度量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了全新方案。該成果6月2日在線發(fā)表于《自然》。審稿人認(rèn)為，這是在地面上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重大成就。

遠(yuǎn)程量子糾纏傳輸是構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心任務(wù)。然而，受限于光子數(shù)在光纖中的指數(shù)衰減，地面直接傳輸距離被限制在百公里水平。為此，科學(xué)家提出量子中繼的思想，即將遠(yuǎn)距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，從而逐步擴(kuò)大量子糾纏的距離。

量子存儲(chǔ)器是量子中繼的核心器件，用于儲(chǔ)存光子糾纏態(tài)，待相鄰存儲(chǔ)器糾纏成功后，再執(zhí)行下一步糾纏交換。此前，研究者已在冷原子氣體和單量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子中繼的基本鏈路，但均采用發(fā)射型量子存儲(chǔ)器。發(fā)射型存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，但兼容性較差，難以同時(shí)兼容發(fā)射效率逼近100%的確定性量子光源和并行使用不同時(shí)間或頻率的多模式復(fù)用這兩個(gè)量子中繼中關(guān)鍵的通信加速技術(shù)。

李傳鋒、周宗權(quán)研究組長(zhǎng)期從事基于稀土摻雜晶體的吸收型量子存儲(chǔ)器的研究。他們提出的基于吸收型量子存儲(chǔ)器的量子中繼架構(gòu)，量子光源與量子存儲(chǔ)器相對(duì)獨(dú)立，可以同時(shí)兼容確定性量子光源以及多模式復(fù)用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

該課題組成功使用吸收型量子存儲(chǔ)器，演示了量子中繼的基本鏈路。一個(gè)基本鏈路由兩個(gè)分離的量子節(jié)點(diǎn)和中間站點(diǎn)貝爾態(tài)測(cè)量裝置組成。每個(gè)量子節(jié)點(diǎn)中除了“牛郎”“織女”量子存儲(chǔ)器之外，還各有一個(gè)糾纏光子對(duì)。實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)糾纏光子對(duì)中的一個(gè)光子被量子存儲(chǔ)器捕獲并存儲(chǔ)，另一個(gè)光子通過(guò)光纖同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)“鵲橋”進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量，測(cè)量的過(guò)程就是糾纏建立的過(guò)程。他們成功演示了4個(gè)時(shí)間模式的并行復(fù)用，使得糾纏分發(fā)的速率提升了4倍，實(shí)測(cè)的糾纏保真度達(dá)到80.4%。

周宗權(quán)認(rèn)為，利用吸收型量子存儲(chǔ)器，有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的量子中繼和量子網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)量子世界里“牛郎與織女”的通信?！拔覀儗⑴?shí)現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)膶?shí)用化量子中繼器?！崩顐麂h表示。（桂運(yùn)安）

相關(guān)論文信息：

https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03505-3